双闭环直流调速系统的设计

双闭环直流调速系统的设计

一些工业设备，如替代钢机和龙门床，需要尽可能温和地运行。有必要尽可能缩短振动和扰动过程的持续时间，并具有良好的振动和刹车特点。双向动力双环压压系统具有良好的动态、运行和控制性能，广泛应用于工业生产，尤其是冶金行业。直流电机双环压压系统的设计主要包括两个装置。一般设计包括：一是选择主调幅，确保系统稳定，满足所需的静态精度。其次，选择主调幅参数以满足动态能力指标。在这项工作中，我们根据计算装置的当前时间记录选择了装置的结构，然后通过计算确定了两个装置的参数。最后，使用simulik进行仿真，以获得调幅系统的动态平衡性和动态平衡性。1转速、电流双闭环控制装置为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,在系统中设置了两个调节器,分别调节转速和电流,二者之间实行串联连接.把转速调节器ASR的输出当作电流调节器ACR的输入,再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置GT,TA为电流传感器,TG为测速发电机.从闭环结构上看,电流调节环在里面,叫做内环,转速调节环在外边,叫做外环,这样就形了转速、电流双闭环调速系统.如图1所示.2增加转速反馈系数建立双闭环调速系统的动态结构,如图2所示.调速系统的基本数据如下:晶闸管三相桥式全控整流电路供电的双闭环直流调速系统,直流电动机:220V,136A,1460r/min,电枢电阻Ra=0.2Ω,允许过载倍数λ=1.5;电枢回路总电阻:R=0.5Ω,电枢回路总电感:L=15mH,电动机轴上的总飞轮力矩:GD2=22.5N·m2,晶闸管装置:放大系数Ks=40,电流反馈系数:β=0.05V/A,转速反馈系数:α=0.007Vmin/r,滤波时间常数:Toi=0.002s,Ton=0.01s设计要求:(1)稳态指标:转速无静差;(2)动态指标:电流超调量σi≤5%,空载起动到额定转速的转速超调量σn≤10%先从电流环入手,首先设计好电流调节器,然后把整个电流环看作是转速调节器的一个环节,再设计转速调节器.2.1供电装置的设计2.1.1电流环小时间常数经查表,三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.00167s,电流环小时间常数T∑i=Ts+Toi=0.00367s,电枢回路的电磁时间常数T1=LR=0.03sΤ1=LR=0.03s2.1.2电流环校正试验根据性能指标要求σi≤5%,且T1/T∑i=T1Toi+Ts=8.1744＜10Τ1/Τ∑i=Τ1Τoi+Τs=8.1744＜10为了使电流环稳态上做到无静差以获得理想的堵转特性,动态上保持电动机电枢电流的不超调,保证系统的跟随性.把电流环校正成典型I型系统,其传递函数为:WACR(s)=Ki(τis+1)τisWACR(s)=Κi(τis+1)τis式中Ki,τi分别为电流调节器的比例放大系数和领先时间常数.其中τi=T1=0.003s,为满足的要求,应取K1TΣi=0.5因此:K1=12T∑i=136.2s−1Κ1=12Τ∑i=136.2s-1,于是可以求得ACR的比例放大系数Ki=K1τiRβKs=1.022Κi=Κ1τiRβΚs=1.022故电流调节器的传递函数WACR(s)=1.022(0.03s+1)0.03sWACR(s)=1.022(0.03s+1)0.03s经过校验,满足晶闸管整流装置传递函数近似条件,也满足电流环小时间常数近似处理条件,设计后电流环可以达到的动态指标σi=4.3%≤5%满足设计要求.2.2速度控制器的设计2.2.1计算时间常数电流环等效时间常数:2T∑i=0.00734s转速环小时间常数:T∑n=2T∑i+Ton=0.01734s2.2.2转速控制器设计特点在转速调节器设计时,可以把已经设计好的电流环作为转速环的控制对象.为了实现转速无静差,提高系统动态抗扰性能,转速调节器必须含有积分环节,又考虑到动态要求,因此把转速环设计成典型II型系统,其传递函数为:WASR(s)=Kn(τns+1)τnsWASR(s)=Κn(τns+1)τns式中Kn,τn分别为转速调节器的比例放大系数和领先时间常数.取中频宽h=5,则ASR的领先时间常数:τn=hT∑n=0.0867s,按Mrmin准则确定参数关系,转速环开环放大系数:KN=h+12h2T2∑n=399.1s−1ΚΝ=h+12h2Τ∑n2=399.1s-1则ASR的比例放大系数为:Kn=KNτnβCeTmαR=(h+1)βCeTm2hαRT∑n,Κn=ΚΝτnβCeΤmαR=(h+1)βCeΤm2hαRΤ∑n,转矩电流比:Cm=30πCe=1.26Nm/ACm=30πCe=1.26Νm/A电力拖动系统的机电时间常数:Tm=GD2R375CeCm=0.18sΤm=GD2R375CeCm=0.18s,则Kn=11.7则转速调节器的传递函数为:WASR(S)=Kn(τns+1)τns=11.7(00867s+1)0.0867s=1.01439s+11.70.0867sWASR(S)=Κn(τns+1)τns=11.7(00867s+1)0.0867s=1.01439s+11.70.0867s经过校验,满足电流环传递函数等效条件,也能满足转速环小时间常数近似处理条件,转速超调量σn=8.3%≤10%满足设计要求.为保证电流调节器与转速调节器中的运算放大器工作在线性特性段以及保护调速系统的各个元件、部件与装置不致损坏,在电流调节器与转速调节器的输出端设置了限幅装置,幅值限制为-5～+5.31b线程模拟3.1模拟系统启动过程3.1.1动态仿真模型的建立Simulink是MATLAB的一个用来进行动态系统仿真、建模和分析的软件包,Simulink为用户提供了使用系统模型框图进行组态的仿真平台.只需根据所建立的数学模型,从Simulink模块库中选取合适的模块组合在一起,并根据一些具体要求设置好各模块参数即可进行仿真.根据图2和上面计算出的相关参数,建立双闭环直流调速系统的Matlab/Simulink动态仿真模型,如图3所示.3.1.2电流与转速扰动响应分析运行Simulink仿真模型,输出示波器,得出电流与转速的仿真曲线,如图4所示.施加阶跃信号,得双闭环调速系统在负载特变扰动的情况下,转速环的阶跃扰动响应曲线,如图5所示.3.2系统结构设计设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程,因此,在分析其动态性能时,首先要探讨起动过程:双闭环调速系统突加给定电压Un*由静止状态起动时,转速和电流在起动过程中经历电流上升、恒流升速、转速调节这三个阶段,概括起来有三点:(1)转速调节器ASR从起动到稳速运行经历了两个状态,即饱和限幅输出和线性调节状态.(2)电流调节器ACR从起动到稳速运行只工作在一种状态,即线性调节状态.(3)如图4所示,电动机的起动特性已经比较接近理想特性,说明该系统的设计对于起动特性来说已经达到预期的要求,有着饱和非线性控制、时间最优控制和转速超调的特点.从图4输出转速n和电流I的波形可看出,起动电流最初上升迅速但超调量较小,当电机被起动后它很快又返回并保持为额定电流,满足电机要求.转速在起动电流的作用下平滑上升至电机额定转速稳定运行,其超调量亦非常小.在对系统的抗扰性能进行仿真后,如图5所示,便知这个直流双闭环调速控制系统抗扰性能比较好.综上所述,这个调速系统起动特性好、超调量小、抗